超高层建筑结构设计要点探讨——以某中心为例

杨宜良

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266073）

南京绿地金茂国际金融中心位于江苏省唯一的国家级高新区——南京江北新区中央商务区核心位置，位于江北定山大街与横江大道交汇处，是绿地集团继紫峰大厦之后在南京投资建设的又一地标性建筑（效果图如图1 所示）。由绿地与金茂强强联手打造，建筑设计由华东建筑设计院有限公司担任，建筑方案由全球顶尖设计团队SOM 主力设计。塔楼总高度499.80 m，地上104 层，地下5 层，地上建筑面积约27.05 万m2，地上业态涵盖甲级办公、总部独栋、五星级酒店、天幕公馆、箐英公寓和精品商业六大业态，地下室包括设备用房、酒店后勤区、卸货区及车库等，打造成南京江北金融、商业第一新中心，建成后将与450 m 的紫峰大厦隔江相望造就南京新的天际线，并成为江苏第一高楼。笔者为了研究超高层建筑的结构设计，尤其是抗震设计与抗风载设计，拟以该项目为例，探讨研究超高层建筑的结构设计要点。

图1 效果图

根据住建部的“限高令”，南京绿地金茂国际金融中心亦将成为今后中国超高层建筑的极限高度。本项目塔楼的结构体系由钢筋混凝土核心筒、巨型框架及拱形转换桁架斜墙转换结构等组合而成的“巨型框架结构-核心筒-伸臂桁架”结构体系，属于超B 级高度且体型复杂的超限建筑，存在刚度突变、构件间断、楼板不连续、局部不规则、承载力突变等超限情况，南京市位于中等烈度地震区域，有中等强度的风荷载，塔楼采用了刚度延性兼顾的抗侧体系，各体系之间相互依存相互协调，有效地抵抗塔楼的重力和侧向力（图2）。塔楼标志性的拱形造型设计灵感来自于拥有650 年历史的南京明城墙和气势恢宏的城墙、城中星罗棋布的拱桥等城市符号，通过高效的拱结构将重力转换至角部的八根巨型柱上，实现了材料的最优化利用又获得了最优的空间视野效果。

图2 项目结构体系图

1 主要设计条件

根据荷载规范，南京市基本风压50 年一遇和100年一遇分别为0.40 kN/m2和0.45 kN/m2，用于结构设计用的风荷载取值依据风洞试验结果取值。风洞试验报告提供每个楼层的X、Y 方向及扭转风荷载数据，并给出了设计使用的各个方向组合系数，从而在结构设计时考虑塔楼的横风向效应及扭转风振效应。风洞试验还准确提供了塔楼基底的剪力和倾覆力矩。地震荷载作用的确定，依据抗震专家意见，小震、中震、大震反应谱曲线参数为：小震按GB 50011—2010（2016 年版）《建筑抗震设计规范》和安评报告中加速度最大值取值，放大系数拟取2.3，反应谱形状参数按规范和计算的底部总剪力较大者包络使用；中震和大震按规范反应谱取值，但是加速度峰值取安评加速度峰值。可以计算得小震地震影响系数最大值αmax小震=0.072，中震αmax中震=0.203，大震αmax大震=0.367。小震、中震、大震的反应谱曲线近似于图3 所示：6 s 后反应谱曲线按6 s 前直线段斜率继续下降。小震下塔楼两个方向的基底剪力和倾覆力矩基本一致。风洞试验、小震数据比较可以看出塔楼风荷载基底剪力和倾覆力矩均高于小震，因此塔楼为风荷载控制（这也是绝大多数超高层建筑的水平荷载控制经验）。

图3 小震、中震、大震反应谱曲线

2 塔楼的结构体系

百年大计，质量第一，安全永远是超高层建筑最关注的问题。下面从几个专题结合本项目加以分析。

2.1 结构的抗侧力体系设计

本项目地上主结构高度478.80 m，塔楼顶冠高度约为21 m，高宽比也达到8；与主楼相连的3 层高裙房部分以抗震缝与主楼分开。这需要高效的抗侧力体系以保证主楼在风荷载和地震作用下的安全。超高层建筑中竖向荷载对结构的设计产生重要影响，但是水平荷载（主要是风荷载和地震作用）却起着决定性重要作用，原因是超高层建筑力学简化模型，可以视为一根固定在地面上的悬臂杆件，竖向荷载（建筑自重力和楼面使用荷载）在竖向构件中所引起的轴力和弯矩数值与建筑高度的1 次方成正比，但是在侧向荷载为倒三角荷载的水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中引起的轴力与建筑高度的2 次方成正比，侧移与建筑高度的4 次方成正比。一个好的超高层建筑结构方案是选择了一个高效的多重（分为主要和次要抗侧力体系）抗侧力体系结构方案。

因此超高层建筑结构设计首先考虑结构体系的传力途径清晰、明了、简单且直接，特别是竖向荷载传力途径。对于超高层建筑很多情况下风荷载成为设计的主控荷载，而风荷载又与建筑外形和结构的动力特性相关，在其作用下既要保证结构有足够的刚度控制建筑的水平变形和顶部加速度，更应从建筑方案源头解决问题选择合适的建筑体型以降低风荷载作用。

同样是水平荷载，超高层建筑在地震作用下的变形与风荷载不同，刚度太大会导致地震作用的增加，刚度太小又会导致过大的变形而倒塌，那么如何选择刚度则是尤为重要的问题。“小震不坏、中震可修、大震不倒”是抗震设计的最基本原则，也是任何超高层建筑抗震设计的基础理论依据，本项目也是以此为依据建立地震模拟模型进行试验的，使该项目的结构既有足够的承载力又有合适的刚度及良好的延性，则需要综合考虑抗风和抗震需求。如果选择不当产生较大的侧向变形会使结构构件开裂变形，而且因P-△效应产生附加弯矩使非结构构件如隔墙、幕墙、电梯井道等产生过大变形，甚至使结构产生整体失稳。主要抗侧力体系为核心筒-外巨柱-伸臂体系，塔楼在角部每个位置设置2 个巨柱并通过深框架梁，总共设置8 个巨柱，这些巨柱和深梁组合成的框架在遭遇较高震级时提供额外的延性。竖向每隔大约30~35 层设置一道外伸臂，总共4道外伸臂，连接巨柱与核心筒形成空间抗侧力工作机制。次级抗侧力体系，结合拱形建筑造型设置折线形环形桁架和大量的柱间支撑，提高外框承担的地震剪力比，则外框架刚度得以极大地提升。

2.2 塔楼的重力结构系统设计

塔楼重力结构系统采用位于周边框架和中央核心筒之间的钢梁。在办公区3 m 间距的钢梁支撑组合楼板、在公寓与酒店区钢梁间距为4.5 m，与房间开间一致。混凝土核心筒采用钢筋混凝土梁板系统。办公等典型建筑空间的结构板厚为125 mm，核心筒内外均采用钢梁和压型钢板组合楼盖，典型加强层如避难转换层的楼板厚度为200 mm，核心筒内外均采用钢梁和钢筋桁架楼承板，与竖向构件一起形成整体空间受力机制，在大震作用下通过连梁的塑形变形消耗能量。本项目的一个设计特点是为了发挥材料的最大效能，沿塔楼一定高度将周边柱转换到建筑的角部，通过这种转换将支撑重力所需的柱子材料放在对建筑抗侧刚度最有效的位置。

2.3 拱结构设计

对于重力荷载的转换通过3 个空中大堂层的拱结构来完成。拱的结构形式简单高效地转换重力荷载，并在空中大堂形成无柱空间（图4）。这种结构构件只承受压力，可以充分发挥材料的性能。通过这种转换使得周边柱子的尺寸在600 mm 左右，与100 m 高的塔楼柱子接近，极大地增加了空间使用效率。塔楼周边柱子每隔一定楼层均采用一道拱进行转换，由上方的柱子和荷载经过拱受力计算可以确定拱的具体形状，使之只受压力不受弯，材料的效率则最高。

图4 拱形造型结构模型图

因为地震和风荷载等水平荷载不像重力那么稳定，拱结构形式易于受力不理想，故为增加结构安全和提供更多保险系数，在拱转折的位置设置了两根斜杆连接到巨柱，形成了拱桁架。同时为了增加整体刚度和较强地震作用下的安全在拱的下方设置了环形桁架，在拱结构的低端设置水平拉杆，这样与拱相连的巨柱和巨柱背后的撑杆一起承担全部的水平力，提供300%的安全保证。拱上方的框架结构之间设置空腹桁架可以承担全部重力荷载，在极端条件下拱结构失去承载力，整个结构体系亦不会倒塌。拱脚节点设计比较复杂，高强度的Q390GJ 钢结构和混凝土应力采用了有限元分析，保证了地震作用下节点不先破坏并具有塑性变形耗能的能力，为塔楼的正常工作和抵抗水平风荷载与地震荷载提供了保障。

2.4 竖向变形和非荷载效应问题研究

本项目的建筑高度接近500 m，竖向构件由于竖向荷载引起的压缩变形也是需要考量的。由于采用混合结构体系，钢筋混凝土筒体与钢骨混凝土柱（SRC）之间由于轴压应力不同会产生较大的差异变形，在伸臂桁架、楼面大梁间产生附加内力，同时竖向构件的压缩变形不均匀性使得对水平梁、伸臂桁架等又产生二次内力影响从而对于楼面标高控制、竖向井道的使用、幕墙等构件产生巨大的影响，有的影响甚至是破坏性的。同时还需要考量竖向结构的徐变和温度变形，会对相应构件产生附加内应力或内力重分布，有时施工顺序或施工堆载的影响也会产生内力重分布，在本项目结构设计或结构模型试验中充分考量了这些因素。

2.5 扭转效应和结构顶部加速度

本项目从建筑方案开始就重视这一结构问题，建筑方案采用了质量、刚度分布均匀平面布置（图5）、竖向刚度尽量均匀变化的竖向结构形式，尽量减少竖向不规则形式，不至于产生过大的扭转作用。过大的扭转作用对抗侧向刚度构件亦会产生巨大的附加内力。在横风向作用下结构顶部震动加速度与结构顶部幅值成正比，该震动加速度的大小影响建筑的使用舒适度和居住者的心理承受能力。一般是采用消能减震阻尼装置减小建筑的荷载效应，风引起的结构顶部舒适度和结构的总抗侧刚度与阻尼的平方根成反比，但是该项目未使用传统的阻尼器，而是通过地震振动台和风洞试验模拟地震和风的作用，为抗水平荷载设计提供了基础依据，设置2 道设防控制体系和一系列构造措施，基本保证50 年一遇的大风和地震没有任何问题，100年一遇的会有短暂不适和局部破坏，但是安全没有问题，可以经过维修鉴定后正常使用。本项目独立做了2个动力弹塑性时程分析，都表明在重现期大约2 000年一遇的地震作用下，拱结构未进入塑性，其他结构损伤程度也不大，结构的性能明显优于规范规定的“大震不倒”的目标。

图5 南京绿地国际金融中心平面示意图

2.6 深基础和基坑的支护设计

超高层建筑由于结构整体稳定和抗倾覆要求，基础埋深需满足结构高度的1/20。该项目采用地下5 层结构，加5.5 m 厚的大筏板（约3.4 万m3混凝土72 h不间断连续浇筑完成），满足了整体稳定和抗倾覆的设计要求。塔楼荷载通过核心筒及外围8 根巨柱传至桩伐基础，由于持力层低于筏板底部约20~30 m，所以采用桩基础将塔楼重力传至微风化岩或中风化岩。综合地勘报告、施工难易程度、工程造价及施工工期等多种因素，塔楼采用1 200 mm 直径的钻孔灌注桩，持力层采用微风化砂质泥岩、微风化细沙岩或中风化砂质泥岩、中风化洗砂泥岩。对于砂岩桩端进入中风化岩3~5 d；对于泥岩桩端宜以微风化泥岩为持力层，部分中风化泥岩层较厚进入5~7 d。桩端采用后注浆工艺，提高了桩基承载力和成桩质量。塔楼采用了群桩筏板，筏板厚度5 500 mm。

3 结构整体分析计算简介

3.1 质量和周期计算

采用2 种软件ETABS 和PMSAP 计算出地震质量（即不含地下室的质量）和结构的自震周期。地震质量取为重力荷载代表值及X，Y，扭转3 个结构自震周期，2 个计算软件比较接近，可以证明其可靠性。

3.2 层间位移角

经2 种软件计算，在风荷载和常见小震作用下，层间位移角均远小于规范限值，结构的刚度和延性足够好。

3.3 剪重比

塔楼X，Y 方向的剪重比均小于剪重比控制值λ=1%，其中X 方向的最小剪重比为λ=0.81%，Y 方向的最小剪重比λ=0.81%。

3.4 外框承担的剪力比

经专项分析外框巨柱承担的剪力比均满足8%的要求，在底部区域的角柱截面尺寸比上部大，提高了底部区域楼层的抗剪承载力。

3.5 塔楼结构设计特点分析及关键技术应用

3.5.1 巨柱设计

巨柱采用Q390GJC 高建钢混凝土柱形式，尽量减小其截面尺寸，钢板焊接成工字型，含钢率控制在4%以内，巨柱边缘构件内部采用C50~C70 自密实混凝土，计算器正截面承载力后表明构件可以安全承受重力荷载和水平荷载。

3.5.2 巨型节点设计

本工程环形桁架、支撑与主框架刚性连接设计，形成联合抗侧力体系，传力清晰，采用大型通用有限元分析软件ABAQUS 进行分析，从钢结构和混凝土结构应力云图结果表明节点内钢结构和混凝土部分均在强度允许范围内。环带桁架、支撑、与型钢混凝土柱连接节点相对复杂，节点区杆件多，板件之间间距小，要保证其平面内刚度，节点制作和加工相对困难。

3.5.3 结构构件试验

本工程针对整体结构及主要构件进行了一系列缩尺试验和理论分析，进行了整体结构振动台试验。抗震试验是由中国建研院承担，在建筑安全与环境国家重点实验室的建筑抗震实验室进行的，历经9 个月的模型加工，试验缩尺模型比例1∶40，测试其在不同水准地震作用下的动力反应，经7 烈度甚至7.5 烈度地震试验已经达到了预定的抗震性能指标（已经超规范要求）。塔楼试验模型如图6 所示。

图6 塔楼试验模型

同时也对巨柱承载力、巨柱组装焊缝、巨柱抗火以及巨型节点承载力进行了专项试验，均达到了良好的预期目标。

4 超高层建筑抗水平力设计要点

计算总体分析要求，利用结构概念设计的理论要求总体判断，建立合适的结构模型是根本指导原则。在此基础上，选择合适的计算参数，按实际受力特点进行计算假定，计算结果出来后应进行分析其合理性（绝对不能完全依赖电脑）。

计算参数选取应重点关注的内容有，连梁的单元形式（杆单元或壳），巨柱采用杆单元或壳，强单元最大单元尺寸，楼板单元的选取形式，阻尼比选择，连梁刚度的折减，周期折减系数，最不利地震方向（正方形增加45°），最不利风荷载方向，嵌固端的选取，是否考虑P-△效应，偶然偏心影响，定义特殊构件，混凝土柱的计算长度系数（地下室、悬臂梁）以及施工模拟方式等。计算结果出来后的总体判断内容，包括质量和荷载沿高度分布的合理性分析，振型、周期、位移形态和量值合理性分析，沿高度方向的地震作用分布合理性分析，单工况下总体和局部力学平衡条件是否满足，对称部位构件的内力及配筋是否相近，不同软件计算结构对比，受力复杂构件（如转换构件等）内力与应力分布与概念、经验是否一致等等。下面就几个核心问题加以分享。

（1）嵌固端的选取。超高层建筑嵌固端的选择非常重要，是整个建筑的固定端，保证结构构件在外力如风荷载、地震作用下围绕固定端部不发生偏移或控制在规范允许范围内。一般以地下室顶板作为嵌固端，但是需要具备几个条件。地下室顶板高度与室外地坪尽量一致，地下室的埋置深度应大于地下室层高的1/3。地下室柱子每一侧的纵向钢筋截面面积比地上一层对应的柱子相应侧的纵向钢筋截面面积之比在1.1 以上，目的是框架柱在嵌固端屈服时是地上一层先于地下部分屈服，地下室顶板的梁柱节点设计不同于普通地上层梁柱节点设计，规范要求下柱上端和左右梁端三处加起来抗震受弯承载力应大于地上一层柱下端的抗震受弯承载力的1.3 倍。地下室抗震墙墙肢端部的边缘构件的总配筋量不小于地上一层相应位置边缘构件的配筋量。地下室顶板现浇且厚度大于180 mm，混凝土强度等级要大于C30，双层双向配筋且各层每个方向的配筋率大于0.25%，不要开大洞口。

（2）地震波的选择要求。每条时程曲线计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的65%，也不应大于振型分解反应谱法求得的135%，多条时程曲线计算的结构底部剪力平均值不应小于振型分解反应谱法求得的80%。时程曲线数量在超高层建筑中一般不少于7 组。还要考虑长周期地震波对超高层结构的影响。

其他重要关注点还包括楼层刚度比、阻尼比、平面与竖向不规则分析、巨型结构体系等内容，读者可以类似总结出具体可操作的一些设计要点。

5 结束语

通过分析该项目的结构设计全过程，包含风洞试验、地震台抗震分析，与业内专家沟通交流，初步掌握了超高层建筑结构设计基本理念、结构设计基本步骤、风荷载的取值（规范荷载与试验值的取值关系）、300~500 m 超高层结构设计的要点等内容，整理出来给大家分享。在超高层建筑结构设计中，重视结构选型和结构概念布置，优先比较水平荷载选出主导性荷载，超过百米的超高层建筑一般都是以风荷载为水平控制荷载，正确选取其系数，譬如风压高度变化系数、风荷载体型系数、顺风向风振和风振系数、横风向和扭转风振等。目前超高层建筑为复杂结构，有高位转换、竖向大收进或大凸出，结构上属于超限建筑，基本上都是采用混合结构，譬如SRC 柱、钢梁、混凝土内筒结构，钢管桩、钢梁、混凝土内筒结构等，这些都需要专业工程师多积累工程经验，总结项目的自身特点，梳理出结构设计要点，改进或优化结构设计方案。